Поглощение элементов сосной и елью в лесных экосистемах северной тайги в условиях атмосферного загрязнения

Щербенко, Татьяна Анатольевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Поглощение элементов сосной и елью в лесных экосистемах северной тайги в условиях атмосферного загрязнения
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Поглощение элементов сосной и елью в лесных экосистемах северной тайги в условиях атмосферного загрязнения"

На правах рукописи

ии^455994

Щербенко Татьяна Анатольевна

ПОГЛОЩЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СОСНОЙ И ЕЛЬЮ В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ СЕВЕРНОЙ ТАЙГИ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

О 5 ДЕК 2008

Москва, 2008

003455994

Работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

Кандидат биологических наук Г.Н. Копцик

Официальные оппоненты:

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.Н. Переверзев Кандидат биологических наук Т.Н. Болышева

Ведущее учреждение:

Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН (г. Апатиты)

Защита диссертации состоится « 23 » декабря 2008 года в 15 час. 30 мин. в аудитории 398-М на заседании диссертационного совета Д 501.001.01 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения.

Автореферат разослан «21» ноября 2008 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук

А.С. Никифорова

Актуальность работы определяется важной ролью биологического поглощения как звена биогеохимических циклов элементов в функционировании лесных экосистем. Стабильность биогеохимических циклов элементов является основной предпосылкой длительного существования лесов Севера (Родин, Базилевич, 1965; Карпачевский, 1977, 1981; Манаков, Никонов, 1981; Лукина, Никонов, 1996 и др.). Специфика биогеохимических циклов элементов в лесах Кольского Севера обусловлена, с одной стороны, экстремальными природными условиями, а с другой стороны - продолжительным и интенсивным действием техногенного фактора. Атмосферное промышленное загрязнение вызывает нарушения взаимосвязей компонентов внутри экосистемы, что влечет за собой изменения закономерностей биологического поглощения элементов, их распределения в ассимилирующих и многолетних органах, функционирования и, в конечном итоге, деградацию экосистем.

Большинство сведений по биологическому поглощению элементов ограничены ассимилирующими органами древесных растений (Воздействие металлургических производств..., 1995; Сыроид, 1997; Сухарева, 2004; Turunen, Huttunen, 1996; Ratio et al., 1998; Kozlov et al, 1999; Reimann et al., 2001; Rautio, Huttunen, 2003), хотя определяющую роль могут играть многолетние органы благодаря их большой биомассе. Данные по элементному составу многолетних органов, особенно древесины стволов, малочисленны (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999; Lindeberg, 2004; Saarela et al., 2005), а в условиях атмосферного загрязнения чрезвычайно редки (Лукина, -Никонов, 1996; Копцик и др., 1999, 2008; Watmough, < Hutchinson, 1996). В подавляющем большинстве работ в центре внимания находятся основные металлы-загрязнители (никель и медь), тогда как не меньшее значение могут иметь сопутствующие металлы, отличающиеся высокой токсичностью (кадмий, свинец). Особый интерес представляют не исследованные ранее потенциально токсичные мобильные соединения тяжелых металлов в ассимилирующих органах деревьев. Несмотря на традиционное внимание к системе «почва - растение» их взаимосвязь в лесных экосистемах, особенно в условиях атмосферного загрязнения, практически не изучена.

Целью исследований является анализ поглощения элементов питания и тяжелых металлов ассимилирующими и многолетними органами сосны и ели в широком ряду экосистем сосновых и еловых лесов в зоне влияния атмосферных выбросов комбинатов «Печенганикель» и «Североникель» на Кольском полуострове. Проанализированы основные источники поступления тяжелых металлов и серы в растения, а также роль хвои и многолетних органов деревьев в диагностике загрязнения и накоплении поллютантов.

Задачи исследований: 1. Охарактеризовать природные особенности элементного состава ассимилирующих (хвоя) и многолетних (мелкие ветви, кора и древесина) органов сосны и ели на Кольском полуострове.

2. Выявить закономерности техногенной трансформации содержания макроэлементов (Ы, Б, К, М§, Са) и тяжелых металлов (N1, Си, Сё, РЬ, гп) в ассимилирующих и многолетних органах сосны и ели.

3. Проанализировать аккумуляцию элементов питания и элементов-загрязнителей в биомассе сосны и ели и ее изменение под воздействием загрязнения.

4. Оценить содержание и запасы доступных для растений соединений тяжелых металлов в подзолах по градиентам загрязнения.

5. Проанализировать связь содержания тяжелых металлов в ассимилирующих и многолетних органах сосны и ели с содержанием доступных соединений металлов в почвах.

Научная новизна. В настоящей работе впервые:

• выявлено однотипное распределение элементов в хвое и многолетних органах сосны и ели и обогащение ели кальцием и цинком по сравнению с сосной в фоновых лесных экосистемах Кольского полуострова;

• уточнены закономерности техногенной трансформации элементного состава ассимилирующих и многолетних органов сосны и ели, проявляющиеся в накоплении никеля, меди, кадмия, свинца и серы и потерях цинка, а также в обеднении хвои ели кальцием и магнием и обогащении калием и азотом;

• вскрыт высокий вклад многолетних органов (ветвей, коры и древесины ствола) сосны и ели в аккумуляцию тяжелых металлов в условиях атмосферного загрязнения;1

• обнаружен рост содержания мобильных соединений тяжелых металлов при снижении их доли в хвое сосны и ели при загрязнении;

• выявлена прямая значимая связь между содержанием тяжелых металлов в хвое и многолетних органах сосны и ели и корнеобитаемых горизонтах почв;

• показано накопление никеля и меди биомассой сосны и ели при снижении вклада биомассы в аккумуляцию металлов в лесных экосистемах с ростом атмосферного загрязнения. Практическая значимость. В работе охарактеризованы

современные уровни содержания тяжелых металлов и серы в различных органах хвойных деревьев и почвах в зонах влияния комбинатов. Сравнение с данными начала 1990-х годов, относящимися к периоду максимальных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, позволяет ориентировочно проследить динамику содержания элементов-загрязнителей в растениях и почвах в условиях сокращения их атмосферных выпадений. Содержание тяжелых металлов в хвое и коре сосны и ели может служить индикатором атмосферного загрязнения лесных экосистем. Элементный состав деревьев может использоваться при моделировании поведения поллютантов и оценке их критических нагрузок в лесных экосистемах. Выявленная взаимосвязь

содержания элементов в системе почва-растение может служить основой для анализа экологических рисков, оценки и коррекции питательного режима почв в целях восстановления лесов на техногенных пустошах.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на: XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004» (Москва 12-15 апреля 2004 г.); Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 24-28 мая 2004 г.); XII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва, 12-16 апреля 2005 г.); 7ой Международной конференции по кислотным осадкам «Acid Rain 2005» (Prague, Czech Republic, June 12-17, 2005); 10ом Конгрессе Хорватского общества почвоведения «Soil functions in the environment» (Sibenik, Croatia, June 14-17, 2006); Международной научно-практической конференции «Антропогенная динамика природной среды» (г. Пермь, Россия, 16-20 октября 2006 г.); Международной конференции «Soil and Wetland Ecotoxicology: SOWETOX 2007» (November 26-27, 2007, Barcelona, Spain). Результаты исследований доложены и обсуждены на заседании кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ (3 статьи в соавторстве, 7 тезисов).

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Изложена на страницах текста, содержит Л6 таблиц и рисунков. Список литературы включает названия, в том числе на иностранных языках.

Благодарности. Выражаю огромную признательность своему научному руководителю Г.Н. Копцик за всестороннюю и неоценимую помощь в работе, за внимание и понимание, которые помогли мне преодолеть все трудности и завершить задуманное. Особые слова признательности сотрудникам кафедры общего почвоведения за отзывчивость и ценные рекомендации в процессе выполнения работы. Огромная благодарность всем сотрудникам ИППЭС КНЦ РАН за помощь в проведении полевых и аналитических работ. Кроме того, данная работа была бы невозможна без постоянной поддержки и понимания моих родных и коллег по работе.

Работа поддержана РФФИ (02-04-49047, 05-04-48460, 08-04-01745) и Исследовательским обществом Нидерландов (NWO 047.014.002).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Биологическая миграция элементов в лесных экосистемах в условиях атмосферного промышленного загрязнения (литературный обзор)

В главе проанализированы закономерности и особенности биологической миграции элементов в бореальных лесных экосистемах,

подверженных атмосферному промышленному загрязнению. Определены основные понятия, охарактеризованы первичная продуктивность, поглощение и возврат элементов растениями.

Зональные северотаежные сосновые и еловые леса Кольской Субарктики характеризуются низкорослыми сильно разреженными древостоями и отличаются низкой продуктивностью. В дополнение к суровым климатическим условиям лесные экосистемы Кольского полуострова в течение 60 лет испытывают высокие атмосферные нагрузки загрязняющих веществ. Основные источники загрязнения - крупнейшие в северной Европе комбинаты медно-никелевого комплекса «Печенганикель» и «Североникель», преобладающими компонентами выбросов которых являются кислотообразующие агенты (соединения серы) и тяжелые металлы.

Анализу влияния атмосферного промышленного загрязнения на бореальные лесные экосистемы посвящено много работ отечественных (Дончева, 1978; Крючков, Макарова, 1989; Лесные экосистемы..., 1990; Воздействие металлургических производств..., 1995; Лукина, Никонов, 1996, 1998; Кислотные осадки..., 1999; Кашулина, 2002; Копцик и др., 1999, 2004, 2008) и зарубежных (Hutchinson, Whitby, 1974; Freedman, Hutchinson, 1978; Смит, 1985; Loberslie, Steinnes, 1988; Forest Decline..., 1989; Atmospheric Deposition..., 1992; Kashulina et al., 1997; Salemaa et al., 2004 и др.) исследователей. Первые оценки состояния лесных экосистем в зоне влияния комбинатов на Кольском полуострове выявили значительные изменения в характере растительного покрова с приближением к источнику загрязнения: исчезновение лишайников, снижение доли мхов в напочвенном покрове, снижение общего проективного покрытия, обесцвечивание хвои, дефолиация, ухудшение состояния крон, гибель древесного яруса (Дончева, 1978; Крючков, Макарова, 1989; Лесные экосистемы..., 1990). Существенную трансформацию претерпевает элементный состав как древесных растений -эдификаторов лесных экосистем, так и растений наземного яруса (Воздействие металлургических производств..., 1995; Лукина, Никонов, 1996, 1998; Копцик и др., 1999, 2008; Черненькова, 2002; Сухарева, 2004; Щербенко и др., 2008; Reimann et al., 2001: Koptsik et al., 2003). Нарушаются структура и функционирование микробных сообществ (Евдокимова, 1995).

Маломощные подзолы Кольского полуострова обладают высокой кислотностью, низкими запасами обменных оснований и емкостью катионного обмена (Белов, Барановская, 1969; Переверзев, 1993, 2001, 2004, 2006; Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999; Переверзев и др., 2000; Кашулина, 2002) и отличаются низкой устойчивостью к атмосферным поллютантам (Копцик, 2004). Промышленные выбросы приводят к нарушениям питательного режима почв вследствие обеднения элементами питания, подкисления, аккумуляции и мобилизации тяжелых металлов (Лукина, Никонов, 1998; Копцик и др., 1999; 2004; Кислотные осадки..., 1999; Кашулина, 2002; Koptsik et al., 2003). Продолжительное систематическое

действие атмосферного загрязнения ведет к нарушению биогеохимических циклов элементов и изменению состояния лесных экосистем (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999; Кашулина, 2002; Kashulina et al., 1997).

Несмотря на длительные исследования лесных экосистем Кольского полуострова количественная оценка поглощения элементов растениями в условиях атмосферного загрязнения далека от завершения, а взаимосвязи растительности и почв мало изучены.

Глава 2. Объекты и методы исследований

Объектами исследования послужили экосистемы сосновых и еловых лесов Кольского полуострова, подверженные воздействию атмосферных выбросов комбинатов «Печенганикель» и «Североникель», крупнейших в северной Европе источников диоксида серы и тяжелых металлов. Изучаемые леса занимают автономные позиции в ландшафте и развиты на маломощных иллювиально-железистых и иллювиально-гумусовых подзолах, сформированных на сортированных и несортированных гляциальных отложениях.

Исследовали сосновые леса на 13 участках мониторинга в южном направлении от комбината «Печенганикель» и еловые леса на 11 участках мониторинга в южном направлении от комбината «Североникель». Образцы хвои разного возраста, мелких ветвей (d<l см), коры и древесины стволов сосны и ели отбирали с 10 деревьев на каждом участке в августе 2002-2003 гг. Образцы перед анализом не отмывали. Одновременно были отобраны образцы почв из оснорных генетических горизонтов (О, Е, Bft, ВС и С) подзолов в 5-кратной повторности на каждом участке. Анализировали смешанные образцы почв, просеянные через сито с отверстиями 2 мм.

Озоление растительного материала проводили с помощью концентрированной азотной кислоты с добавлением 30% раствора перекиси водорода. Мобильные (биологически доступные) и трудно растворимые соединения тяжелых металлов разделяли с помощью 15-минутного кипячения неотмытых листьев в дистиллированной воде (Kozlov et al., 2000). В растворах, полученных после мокрого озоления и кипячения, определяли содержание металлов (Са, Mg, К, Ni, Си, Zn, Pb и Cd) методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии (ААС). Серу определяли турбидиметрическим методом, общий азот - по методу Кьельдаля (Воробьева, 1998).

Актуальную кислотность (рН) почв измеряли потенциометрически в водной и солевой (0.01 М СаС12) суспензиях. Содержание доступных для растений соединений тяжелых металлов в почвах определяли в вытяжке 1 М раствором NH4NO3 методом ААС (Са, Mg, К, Ni, Си, Zn, Cd и Pb).

Биомассу (Y) сосны и ели оценивали с помощью разработанных для Кольского полуострова регрессионных уравнений (Лукина, Никонов, 1996) на основании измерений высоты (h) и диаметра на высоте груди (d) на участках мониторинга: log Y = а + b * log X, X=d2 * h.

Обработку результатов проводили методами описательной статистики. Однако при сравнении свойств растений и почв, особенно на загрязненных территориях, средние арифметические, как и медианы, не отражают всех их особенностей (Дмитриев, 1983). При таком сравнении существенно охарактеризовать собственно распределения свойств, а не только их средние. Поэтому для визуализации и характеристики распределений использовали также технику 'box-plot'.

Глава 3. Элементный состав растений

Элементный состав сосны и ели в фоновых районах типичен для бореальных лесов Кольского полуострова. И сосна, и ель относятся к низкозольным кали-кальцефилам.

Элементы питания. Хвоя сосны текущего года характеризуется преобладанием азота и калия, а также повышенным содержанием кальция и магния по сравнению с другими органами (рис. 1). При старении хвои элементный состав ее меняется в сторону накопления малоподвижного кальция и потери подвижных калия, магния и азота в связи с их локализацией в зоне активного роста растений. Возрастные закономерности изменения содержания элементов питания сохраняются в условиях загрязнения. Мелкие ветви сосны характеризуются высокими уровнями накопления минеральных элементов, сопоставимыми с ассимилирующими органами. Кора и древесина ствола отличаются низким содержанием макроэлементов (за исключением , кальция в коре).

Ель характеризуется сходными с сосной природными особенностями распределения элементов питания и их возрастной динамики в ассимилирующих и многолетних органах. При этом и хвоя, и многолетние органы ели почти вдвое обогащены кальцием по сравнению с сосной.

С нарастанием загрязнения содержание кальция и магния в хвое ели снижается в связи с выщелачиванием кислыми осадками (табл. 1). Содержание калия и азота, напротив, возрастает, вероятно, в связи со снижением возраста хвои и ретранслокацией элементов из интенсивно опадающей хвои в хвою текущего года.

Элементы-загрязнители. Хвоя сосны и ели фоновых участков отличается повышенным содержанием основных поллютантов по сравнению с незагрязненными районами Кольского полуострова как в связи с выбросами местных предприятий, так и с дальним атмосферным переносом. Содержание серы максимально в хвое и снижается в многолетних органах сосны (рис. 2). Следует отметить, что содержание серы уменьшается при старении хвои сосны в соответствии с поведением, выявленным для элементов питания. Хвое ели, напротив, свойственно накопление серы с возрастом, также сера накапливается и в коре.

Содержание никеля и меди в хвое фоновых участков при старении практически не меняется, а в хвое загрязненных участков возрастает.

10000 8000 6000 4000 2000 0

4=±|

хвояО хвояЗ ветви кора ствол

8000 4000 0

Е?Э

10000 8000 6000 4000 2000 0

хвояО хвояЗ ветви кора ствол

16000

12000

-Е 8000 X 2"

4000 0

хвояО хвояЗ ветви кора ствол

Сосна Ель

Рис. 1. Изменчивость содержания магния, калия и азота в органах сосны в зоне влияния ГМК «Печенганикель» (слева) и ели в зоне влияния ГМК «Североникель» (справа). Хвоя 0 - хвоя текущего года, хвоя 3 - хвоя 3-его года жизни. Приведены среднее арифметическое (°), медиана (—), нижний и верхний квартили (границы прямоугольника), 95% доверительный интервал (-*-, -р). Значения, выходящие за рамки 95% доверительного интервала, показаны звездочками.

Многолетние ветви и кора накапливают металлы по сравнению с хвоей (рис. 2). Содержание тяжелых металлов в древесине сосны и ели, также как и

макроэлементов, очень низкое. При этом ель поглощает значительно больше никеля и меди по сравнению с сосной, вероятно, в связи с большей листовой поверхностью и повышенными выбросами металлов комбинатом «Североникель» по сравнению с комбинатом «Печенганикель».

Накопление тяжелых металлов ассимилирующими и многолетними органами сосны и ели по градиентам загрязнения характеризуется сходными закономерностями, наиболее ярко проявляющимися у ели. Рост атмосферного загрязнения сопровождается резким накоплением в хвое никеля и меди (табл. 1). По сравнению с фоном концентрации этих металлов в хвое елового редколесья возрастают соответственно в 60 и 20 раз. Следует отметить уменьшение возраста хвои с 5-6 лет на условно фоновых территориях до 2-3 лет вблизи комбината. Под воздействием загрязнения содержание никеля и меди в мелких ветвях и коре ели увеличивается на 2 порядка по сравнению с фоном, что в значительной степени обусловлено механическим осаждением и накоплением металлсодержащей пыли на поверхности коры благодаря ее шероховатой структуре. С приближением к источнику загрязнения концентрации никеля в древесине ели возрастает в 5, меди - в 1.5 раза. Анализ древесины сосны и ели по годовым кольцам также свидетельствует о загрязнении тяжелыми металлами молодой (25-летней) древесины по сравнению со старой, сформировавшейся в период низкого уровня промышленных выбросов.

Накопление тяжелых металлов обусловлено как поглощением их корневой системой из почвы, так и осаждением на поверхность растений из атмосферы. Однако количественный вклад сухого осаждения до сих пор не ясен в связи с методическими трудностями. В наших исследованиях содержание мобильных (биологически доступных) соединений никеля и меди в хвое ели фоновых районов не превышало 7 и 22% от их общего количества. С нарастанием атмосферного загрязнения абсолютное содержание растворимых соединений никеля в хвое возрастало в 20-30, а меди - в 10 раз, при этом их относительное содержание снижалось до 2-3 и 3-12% соответственно. Это свидетельствует об увеличении доли поверхностного осаждения вблизи источника загрязнения. Наряду с атмосферными аэрозолями источником металлов на поверхности растений может служить металлосодержащая пыль вследствие активного развития эрозии почв.

Содержание свинца и кадмия, сопутствующих металлов-загрязнителей, возрастает от ассимилирующих к многолетним органам. При этом ель накапливает в несколько раз больше свинца, чем сосна. С приближением к источнику загрязнения содержание свинца в хвое, мелких ветвях и коре ели увеличивается в десятки раз по сравнению с фоном. Однако в древесине свинец не накапливается. С ростом атмосферного загрязнения содержание кадмия в хвое, ветвях и коре увеличивается в 4-7 раз, в древесине - в 2 раза.

хвояО хвояЗ ветви кора ствол

250

200

¡2 150

100

ЬО

хвояОхвояЗ ветви кора ствол

Сосна

2100

1800

1500

<2 1200

I 900

ю 600

300

хвояО хвояЗ ветви кора ствол

№

1200 1000 800 600 400 200 0

хвояО хвояЗ ветви кора ствол

Си

1200 1000 800

■С 600

з" 400 О

200 0

хвояО хвояЗ ветви кора ствол

Ель

Рис. 2 Изменчивость содержания серы, никеля и меди в органах сосны в зоне влияния ГМК «Печенганикель» (слева) и ели в зоне влияния ГМК «Североникель» (справа). Хвоя 0 - хвоя текущего года, хвоя 3 -хвоя 3-его года жизни. Приведены среднее арифметическое (°), медиана (—), нижний и верхний квартили (границы прямоугольника), 95% доверительный интервал (-Ц у). Значения, выходящие за рамки 95% доверительного интервала, показаны звездочками.

Молодая хвоя сосны обогащена цинком, а многолетние органы -обеднены по сравнению с елью. В отличие от большинства тяжелых металлов концентрация цинка в хвое, ветвях и коре ели снижается с нарастанием загрязнения. Обеднение хвои ели цинком обусловлено, возможно, антагонистическими взаимоотношениями между Ъп и Бе, Сй, Си. Вероятны также процессы выщелачивания цинка кислыми осадками. Содержание цинка в древесине мало меняется с приближением к источнику загрязнения.

В таблице 1 представлены коэффициенты накопления элементов в органах сосны и ели техногенных редколесий по отношению к фоновым участкам. Обращает на себя внимание обеднение хвои элементами питания (Са, М§ и Хп) и обогащение хвои и многолетних органов серой и тяжелыми металлами, особенно никелем и медью. Характеризующиеся максимальным накоплением поллютантов многолетняя хвоя и кора сосны и ели могут быть рекомендованы для биомониторинга атмосферного загрязнения.

Таблица 1. Коэффициенты накопления элементов в органах сосны и ели техногенных редколесий по отношению к фоновым участкам

Органы Са м8 К N Б № Си са РЬ Ъх

Сосна

Хвоя 0 г. 0.8 0.8 0.9 0.9 1.3 4.4 2.9 1.1 1.5 0.4

Хвоя 3 г. 0.7 1.1 0.9 1.1 1.4 17 11 1.6 14 0.2

Ветви 1.7 1.0 1.6 0.7 2.2 10 8.1 3.4 7.4 0.3

Кора 1.4 7.1 3.6 1.2 8.5 27 18 1.7 1.1 1.9

Древесина 1.2 1.3 1.1 1.0 0.5 1.6 0.9 1.3 2.2 1.0

Ель

Хвоя 0 г. 0.5 0.8 1.4 1.3 2.0 60 24 7.6 17 0.2

Хвоя 3 г. 0.9 0.6 1.3 1.4 2.7 75 18 4.2 13 0.5

Ветви 0.9 1.1 3.5 0.8 10 260 120 3.2 28 0.6

Кора 0.9 0.6 0.3 0.9 2.9 320 210 3.9 10 0.6

Древесина 1.3 1.6 1.3 0.8 5.5 5.5 1.5 2.0 0.6 1.1

Сравнение с данными периода максимальных атмосферных выбросов (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999) позволило выявить тенденцию к снижению содержания серы, никеля и меди в хвое ели, а также серы в хвое сосны, обусловленную сокращением выбросов. Однако эти изменения не синхронны в связи с большими запасами тяжелых металлов в почвах.

Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны и ели. Сосновые леса Кольского полуострова характеризуются низкой биомассой и продуктивностью. Биомасса сосны не превышает 5 кг/м2 в фоновых сосняках и снижается до 1-2 кг/м2 с нарастанием загрязнения (рис. 3). Основной вклад в биомассу вносит древесина (64-80%), доля коры не превышает 10-12%. Доли хвои и мелких ветвей в фоновых условиях составляют 15 и 10% и снижаются вследствие дефолиации с ростом загрязнения.

□ Древесина

□ Кора ■ Ветви

□ Хвоя, 3 год

□ Хвоя, 0 год

6 5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 77

7 18 20 21 24 28 100 101 200

6 5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 77

6 5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 77 Расстояние, км

Сосна

180

160

140

120 -

t S 100

z 80

0 -

П.П.П.н

7 18 20 21 24 28 100101 200

18 20 21 24 28 100 101 200 Расстояние, км

Ель

Рис. 3. Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны в зоне влияния ГМК «Печенганикель» (слева) и ели в зоне влияния ГМК «Североникель» (справа).

В сосновых лесах, удаленных от источника загрязнения, сосна накапливает около 9 мг никеля, 10 мг меди, 1-2 мг свинца, 0.4 мг кадмия и 50-80 мг/м2 цинка. Под воздействием техногенного загрязнения, несмотря на снижение биомассы, накопление никеля и меди в биомассе сосны возрастает,

а цинка - снижается (рис. 3). В загрязненных районах кора сосны аккумулирует наибольшее количество никеля и меди (до 90% от общего содержания металла в биомассе).

Еловые леса, как и сосновые, обладают низкой биомассой и продуктивностью. Биомасса ели не превышает 8 кг/м2 в фоновых ельниках и постепенно снижается с приближением к источнику загрязнения. Основной вклад в биомассу вносит древесина (70-80%), доля хвои не превышает 9-12, мелких ветвей - 7-12, коры - 3-4%.

В еловых лесах условно фоновых районов ель накапливает около 6 мг никеля, 11 мг меди, 2 мг свинца, 0.4 мг кадмия и 150 мг/м2 цинка. Под воздействием загрязнения аккумуляция никеля, меди, свинца и кадмия елью возрастает и затем вновь снижается в связи с сокращением биомассы. В загрязненных районах ветви и кора ели накапливают наибольшую долю никеля, меди и свинца от общего количества металла в биомассе. Кадмий и цинк аккумулируются преимущественно в древесине, а с ростом загрязнения - и в ветвях.

Глава 4. Распределение доступных для растений соединений тяжелых металлов в почвах

Подзолы Кольского полуострова характеризуются низким содержанием органического вещества и кислой реакцией. Профильное распределение кислотности и углерода в подзолах под сосновыми и еловыми лесами сходное. Подзолы ельников кислее и обогащены органическим веществом по сравнению с подзолами сосняков.

Величины и диапазон изменений содержания доступных соединений никеля и меди в подзолах исследуемых районов представлены на рис. 4. Подзолы характеризуются явным максимумом содержания всех исследованных металлов в подстилке. В окрестностях обоих комбинатов содержание никеля в подстилке больше по сравнению с медью.

С приближением к комбинату «Печенганикель» содержание никеля и меди в подстилке сосновых лесов увеличивается в 280 и 100 раз, достигая 1900 и 270 мг/кг соответственно. Повышенное содержание никеля и меди в подстилке, превышающее критические пределы, наблюдается в радиусе не менее 40 км от комбината. Еще более резкое накопление никеля и меди в подстилках, превышающее два порядка, характерно для еловых лесов окрестностей комбината «Североникель». При этом зона загрязнения простирается не менее чем на 100 км.

Аккумуляция никеля и меди в подстилке с ростом атмосферного загрязнения свидетельствует об ее барьерной функции. Однако в процессе деградации лесных экосистем подстилка теряет способность к аккумуляции металлов, содержание их в верхних горизонтах снижается, а глубина проникновения вниз по профилю растет. Это особенно характерно для сравнительно подвижного никеля.

2000

1500

!г

I 1000

2 КОО

2000 1500

•с * 1000

4 600

Си

•£ 30 3

вы

Си

50 40 30

= 20

5"ю

Л-

Си

О 2 2

Си

10 8

£ е

и 2

з" 4 О

5 2

Подзолы под сосновыми лесами Подзолы под еловыми лесами

Рис. 4. Доступные для растений соединения никеля и меди в подзолах под сосновыми лесами в зоне влияния ГМК «Печенганикель» (слева) и еловыми лесами в зоне влияния ГМК «Североникель» (справа). Приведены среднее арифметическое (°), медиана (—), нижний и верхний квартили (границы прямоугольника), 95% доверительный интервал (-Ц -]-). Значения, выходящие за рамки 95% доверительного интервала, показаны звездочками.

Почвы под еловыми лесами отличаются повышенным уровнем содержания свинца и кадмия по сравнению с почвами под сосновыми лесами. Вблизи источника загрязнения содержание кадмия в подстилке увеличивается в 2-4 раза, свинца - в 2-8 раз по сравнению с фоном.

Цинк характеризуется близким диапазоном изменений в почвах сосняков и ельников. Несмотря на поступление цинка с атмосферными выбросами его содержание в подстилке снижается с приближением к источникам загрязнения. Обеднение цинком подстилок вблизи медно-никелевых комбинатов связано, вероятно, с его вытеснением с обменных позиций катионами основных металлов-загрязнителей и последующим выносом.

Глава 5. Связь содержания тяжелых металлов в растениях и почвах при атмосферном загрязнении

С помощью корреляционного анализа обнаружена значимая прямая связь содержания никеля и меди в хвое, ветвях, коре и никеля в древесине сосны с содержанием доступных металлов в подстилках подзолов сосновых лесов вблизи комбината «Печенганикель». В еловых лесах зоны влияния комбината «Североникель» значимая прямая связь между содержанием никеля и меди в органах ели и в почвах характерна как для подстилки, так и для минеральных горизонтов. Прямая корреляция выявлена в ряде случаев для свинца и кадмия.

Связь содержания тяжелых металлов в органах сосны и ели (Мерас1) с содержанием достуцных соединений металлов в почвах (Мепочва) аппроксимируется уравнением линейной регрессии

^(Мераст) = а + к * 1о£(Мепочва), где а и к - эмпирические коэффициенты. Величины коэффициентов а и к представлены в таблице 2 ([Ме] = мг/кг, ее - стандартная ошибка, И. -коэффициент корреляции).

Таблица 2. Связь содержания никеля и меди в сосне и почвах сосновых лесов вблизи комбината «Печенганикель» (параметры регрессионных уравнений)

Гори зонт Орган № Си

к ее Я к эе Я2

О Хвоя 0 года 0.38 0.07 0.73 - - -

Хвоя 3 года 0.65 0.08 0.87 0.55 0.12 0.65

Ветви 0.61 0.08 0.82 0.48 0.11 0.62

Кора 0.75 0.11 0.81 1.06 0.12 0.88

Древесина 0.14 0.06 0.26 - - -

вм Хвоя 0 года 0.39 0.14 0.38 1.45 0.58 0.32

Хвоя 3 года 0.59 0.23 0.34 - - -

Ветви 0.64 0.19 0.48 - - -

Кора 0.77 0.25 0.43 - - -

Древесина 0.19 0.08 0.27 - - -

Таблица 3. Связь содержания никеля и меди в ели и почвах еловых лесов вблизи комбината «Североникель» (параметры регрессионных уравнений)

Гори зонт Орган № Си

к Бе Я к ее Я2

О Хвоя 0 года 0.68 0.07 0.90 0.60 0.07 0.88

Хвоя 3 года 0.72 0.08 0.91 0.58 0.06 0.91

Ветви 0.95 0.10 0.91 0.76 0.12 0.83

Кора 1.00 0.08 0.95 0.79 0.09 0.89

Древесина 0.37 0.09 0.64 0.09 0.02 0.69

ВМ Хвоя 0 года 0.74 0.12 0.80 - - -

Хвоя 3 года 0.78 0.14 0.77 - - -

Ветви 1.02 0.19 0.76 - - -

Кора 1.08 0.17 0.81 - - -

Древесина 0.48 0.06 0.87 - - -

Содержание никеля в органах сосны и ели прямо связано с его содержанием как в подстилках, так и в иллювиальных горизонтах сосняков и ельников. С ростом содержания доступных соединений меди в подстилке ее содержание в хвое, ветвях и коре сосны и ели также увеличивается. Однако связь практически отсутствует для иллювиальных горизонтов подзолов в обоих типах леса. Результаты регрессионного анализа свидетельствуют о более интенсивном поглощении никеля и меди елью по сравнению с сосной. При этом никель поглощается активнее, чем медь (табл. 2-3). Значимой связи между содержанием свинца, кадмия и цинка в биомассе сосны и ели и в почвах не обнаружено.

В сосновых и еловых лесах аккумуляция никеля сосной и елью не превышает 10% запасов доступных для растений соединений металла, накопленных в полуметровом слое подзолов (рис. 5). Относительная аккумуляция меди сосной и елью заметно выше и достигает 20-30% запасов ее доступных соединений в почвах. Накопление в биомассе сосны и ели свинца не превышает обычно 2-7% относительно его запасов в подзолах. Столь же низка относительная аккумуляция кадмия в биомассе ели и немного выше — в биомассе сосны. Сравнительно высокое накопление в биомассе сосны и ели по отношению к запасам в почвах (10-30%) свойственно цинку. С приближением к источнику загрязнения запасы в подзолах доступных для растений соединений основных поллютантов, никеля и меди, возрастают в сотни раз, аккумуляция их в биомассе сосны и ели увеличивается в десятки раз, а относительное накопление снижается. Аналогичные, но менее выраженные закономерности, характерны и для сопутствующих металлов-загрязнителей - свинца и кадмия.

№

4000 3500 3000 2500

1 2000 -

2 1500 1000 -500 -

ш Биомасса □ Почва

П. п.

8 11 12 16 34 41 58 75 77 Расстояние, км

9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

ЕЭ Биомасса □ Почва

7 18 20 21 24 28 100 101 200 Расстояние, км

Си

700 -

600 -

500 -

£ 400 -

3 300 -

200 -

100 -

0 -

Е Биомасса □ Почва

ШШз

5000

4000

^ 3000 Е

О 2000 1000 -

5 7 8 11 12 16 34 41 58 75 77 Расстояние, км

^ Биомасса □ Почва

П.п.ПП.ги.

7 18 20 21 24 28 100 101 200 Расстояние, км

Рис. 5. Соотношение запасов никеля и меди в биомассе и 0.5 м слое почв сосновых лесов в зоне влияния комбината «Печенганикель» (слева) и еловых лесов в зоне влияния комбината «Североникель» (справа).

Таким образом, наряду с прямым поступлением тяжелых металлов из атмосферы, загрязнение почв и дисбаланс элементов питания вносят значительный вклад в техногенную трансформацию фитоценозов в лесных экосистемах. Несмотря на сокращение промышленных выбросов, значительная аккумуляция в почвах тяжелых металлов будет оказывать долговременное воздействие на их поглощение растениями благодаря корневому поступлению, а в техногенных редколесьях и пустошах - и поверхностному осаждению почвенной пыли с эродированных поверхностей.

ВЫВОДЫ:

1. Сосна и ель фоновых районов Кольского полуострова содержат максимальное количество азота и серы в хвое, калия и магния - в хвое и мелких

ветвях, кальция - в многолетней хвое, цинка - в хвое и ветвях, кадмия - в ветвях и коре, никеля, меди и свинца - в коре. Древесина отличается минимальным содержанием всех элементов. Ель почти вдвое обогащена кальцием, а ее многолетние органы - цинком по сравнению с сосной.

2. Атмосферное загрязнение сопровождается значительными изменениями элементного состава ассимилирующих и многолетних органов сосны и ели, проявляющимися в накоплении никеля, меди, кадмия, свинца и серы и обеднении цинком. Хвоя ели вблизи источника загрязнения обеднена также кальцием и магнием и обогащена калием и азотом.

3. Возрастные изменения элементного состава хвои характеризуются ее обогащением малоподвижными (кальций) и обеднением подвижными (калий, азот, магний, цинк) элементами и сохраняются в условиях загрязнения, дополняясь выраженным накоплением никеля, меди и свинца для сосны и серы для ели.

4. Значительная аккумуляция тяжелых металлов и серы в многолетней хвое и, особенно, коре сосны и ели подтверждает целесообразность их использования для мониторинга атмосферного загрязнения. Однако диагностика токсичности металлов по этому признаку проблематична в связи с возможной высокой долей поверхностного осаждения.

5. Несмотря на низкую биомассу хвойных лесов на северном пределе их распространения аккумуляция тяжелых металлов в ветвях и коре, наряду с древесиной, достигает заметных величин и должна быть учтена при моделировании поведения тяжелых металлов в экосистемах и оценке экологических рисков.

6. С ростом техногенной нагрузки содержание доступных для растений соединений никеля и меди в подстилках возрастает на 2 порядка. Содержание кадмия увеличивается в 2-4 раза, свинца - в 2-8 раз. Загрязненные подстилки в 2-3 раза обедняются цинком. Повышенное содержание никеля и меди в подстилке, превышающее критические пределы, наблюдается в радиусе не менее 40 км от комбината «Печенганикель» и 100 км от комбината «Североникель».

7. С помощью корреляционного и регрессионного анализов обнаружена прямая связь содержания никеля и меди в хвое, ветвях, коре и древесине сосны и ели с содержанием доступных соединений металлов в корнеобитаемом слое почв, ослабевающая с глубиной.

8. Аккумуляция тяжелых металлов и дисбаланс элементов питания вследствие атмосферного загрязнения вносят значительный вклад в техногенную трансформацию фитоценозов в лесных экосистемах. Несмотря на сокращение промышленных выбросов, накопленные запасы тяжелых металлов в почвах тормозят восстановление лесных экосистем.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Щербенко Т.А., Копцик Г.Н., Гроненберг Б.-Я., Лукина Н.В., Ливанцова С.Ю. Поглощение элементов питания и тяжелых металлов сосной в условиях атмосферного загрязнения // Вестник МГУ, сер. почвоведение. 2008. №2. Стр. 9-16.

2. Копцик Г.Н., Лукина Н.В., Копцик С.В., Щербенко Т.А., Ливанцова С.Ю. Поглощение макроэлементов и тяжелых металлов елью в условиях интенсивного атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Лесоведение. 2008 № 2. С. 3-12.

3. Копцик Г.Н., Лукина Н.В., Копцик С.В., Ливанцова С.Ю., Щербенко Т.А., Ерасова С. А., Удачин Н.В. Поведение тяжелых металлов в подзолах под сосновыми лесами в условиях атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Вестник МГУ, сер. почвоведение. 2004. № 4. С. 1-11.

4. Смирнова И.Е., Щербенко Т.А., Копцик Г.Н. Подвижность и биологическая доступность тяжелых металлов в фоновых и загрязненных почвах Кольского полуострова // Материалы Международной научно-практической конференции «Антропогенная динамика природной среды». Пермь, Россия, 16-20 октября 2006 г. Том 1. С. 185-187.

5. Щербенко Т.А. Изменения элементного состава хвои ели в условиях атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Тезисы докладов XII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005».Москва 12-16 апреля 2005.

6. Щербенко Т.А., Копцик Г.Н., Лукина Н.В. Изменения элементного состава сосны в условиях атмосферного загрязнения на Кольском полуострове // Международная научная конференция «Современные проблемы загрязнения почв». Москва, 24-28 мая 2004.

7. Щербенко Т.А. Влияние атмосферного загрязнения на элементный состав растений Кольского Севера // Тезисы докладов XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004».Москва 12-15 апреля 2004, с.184-185.

8. Koptsik, G., Scherbenko, Т., Koptsik, S., Livantsova, S. Bioavailability and phytotoxicity of heavy metals in forest soils subjected to extreme air pollution from nickel-processing industry // Soil and Wetland Ecotoxicology: SOWETOX 2007.26 to 27 November 2007, Barcelona, Spain.

9. Koptsik, G., Koptsik, S., Livantsova, S., Ermakov, I., Scherbenko, T. Regulator function of soil in environmental impact of heavy metals // Soil functions in the environment. 10th Congress of Croatian Society of Soil Science. Summaries. Sibenik, Croatia, June 14-17,2006. P. 88.

10. Koptsik, G., Groenenberg, B.-J., Lukina, N., Livantsova, S., Koptsik, S., Scherbenko, Т., Smirnova, I. Plant uptake of elements in spruce forests with high sulphur and heavy metal deposition. Acid Rain 2005. 7th Int. Conference. Prague, Czech Republic, June 12-17,2005. Conference Abstracts. P. 341.

Подписано в печать 19.11.2008 Формат 60x88 1/16. Объем 1.5 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 799 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Щербенко, Татьяна Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ МИГРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1. Первичная продуктивность лесных экосистем.

1.1.1. Основные понятия.

1.1.2. Зональные закономерности изменений продуктивности.

1.2. Элементный состав растений.

1.2.1. Основные факторы формирования элементного состава древесных растений бореальных лесов.

1.2.2. Пути и механизмы поступления элементов в растения.

1.2.3. Поглощение тяжелых металлов растениями.

1.2.4. Физиологическая роль, дефицит и токсичность элементов в растениях.

1.2.5. Фитоиндикация и фитомониторинг.

1.3. Миграция элементов в лесных экосистемах.

1.3.1. Атмосферная миграция.

1.3.2. Внутрипочвенная миграция.

1.3.3. Биологическая миграция.

1.4. Биологическая миграция элементов в лесных экосистемах Кольского полуострова.

1.4.1. Влияние природных и антропогенных факторов.

1.4.2. Сосновые леса.

1.4.3. Еловые леса.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Природные условия Кольского полуострова.

2.1.1. Климат'.

2.1.2. Рельеф.

2.1.3. Почвообразующие породы.

2.1.4. Растительность.

2.1.5. Почвы.

2.2. Атмосферное загрязнение.

2.3. Объекты исследований.

2.4. Методы исследований.

2.4.1. Полевые методы.

2.4.2. Лабораторные методы.

2.4.3. Статистические методы.

ГЛАВА 3. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ.

3.1. Сосновые леса.

3.1.1. Хвоя.

3.1.2. Ветви.

3.1.3. Кора.

3.1.4. Древесина.

3.1.5. Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе сосны.

3.2. Еловые леса.

3.2.1. Хвоя.

3.2.2. Ветви.

3.2.3. Кора.

3.2.4. Древесина.

3.2.5. Аккумуляция тяжелых металлов в биомассе ели.

3.3. Сравнительный анализ элементного состава сосны и ели.

3.4. Динамика содержания поллютантов в хвое сосны и ели в лесных экосистемах окрестностей комбинатов.

ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДОСТУПНЫХ ДЛЯ РАСТЕНИЙ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ.

4.1. Подзолы сосновых лесов в окрестностях ГМК «Печенганикель».

4.1.1. Кислотность.

4.1.2. Содержание углерода и азота.

4.1.3. Содержание доступных для растений тяжелых металлов.

4.1.4. Запасы доступных соединений тяжелых металлов в подзолах.

4.2. Подзолы еловых лесов в окрестностях ГМК «Североникель».

4.2.1. Кислотность.

4.2.2. Содержание углерода и азота.

4.2.3. Содержание доступных для растений тяжелых металлов.

4.1.4. Запасы доступных соединений тяжелых металлов в подзолах.

4.3. Сравнительный анализ состояния подзолов сосновых и еловых лесов в зонах влияния комбинатов.

ГЛАВА 5. СВЯЗЬ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РАСТЕНИЯХ И ПОЧВАХ.

5.1. Обеспеченность элементами питания.

5.2. Связь содержания тяжелых металлов в деревьях и в почвах сосновых и еловых лесов в условиях атмосферного загрязнения.

5.5.1. Корреляционный анализ.

5.5.1. Регрессионный анализ.

5.3. Соотношение запасов тяжелых металлов в биомассе деревьев и в почвах сосновых и еловых лесов в условиях атмосферного загрязнения.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Поглощение элементов сосной и елью в лесных экосистемах северной тайги в условиях атмосферного загрязнения"

В последние десятилетия одним из основных дестабилизирующих факторов функционирования лесных экосистем является атмосферное промышленное загрязнение. Состояние лесных экосистем при этом в значительной степени определяется спецификой природных условий, в которых они формируются и функционируют. В этом отношении наиболее подвержены негативному влиянию экосистемы, расположенные в северных регионах, где экстремальные для древесных пород климатические условия усугубляют экологическую ситуацию.

Зональные северотаежные сосновые и еловые леса Кольской Субарктики характеризуются низкорослыми сильно разреженными древостоями и низкой продуктивностью. В дополнение к суровым климатическим условиям лесные экосистемы Кольского полуострова в течение 60 лет испытывают высокие атмосферные нагрузки загрязняющих веществ. Основные источники загрязнения - крупнейшие в северной Европе комбинаты медно-никелевого комплекса «Печенганикель» и «Североникель», преобладающими компонентами выбросов которых являются диоксид серы и тяжелые металлы.

Анализу влияния атмосферного промышленного загрязнения на бореальные лесные экосистемы посвящено много работ отечественных и зарубежных исследователей (Дончева, 1978; Смит, 1985; Крючков, 1988; Лесные экосистемы., 1990; Кислотные осадки., 1999; Hutchinson and Whitby, 1974; Leberslie and Steinnes, 1988 и др.). Оценки состояния лесных экосистем в зоне влияния комбинатов на Кольском полуострове в 19701990-х годах выявили значительные изменения в характере растительного покрова с приближением к источнику загрязнения: исчезновение лишайников, снижение доли мхов в напочвенном покрове, снижение общего проективного покрытия, обесцвечивание хвои, дефолиация, ухудшение состояния крон, гибель древесного яруса (Дончева, 1978; Крючков, 1988; Лесные экосистемы., 1990; Воздействие металлургических производств., 1995; Лукина, Никонов, 1996, 1998; Копцик и др., 1999, 2003, 2004, 2008; Кислотные осадки., 1999; Кашулина, 2002; Черненькова, 2002; Щербенко и др., 2008; Koptsik et al., 2003). Существенную трансформацию претерпевает элементный состав как древесных растений — эдификаторов лесных экосистем, так и растений наземного яруса Нарушаются структура и функционирование микробных сообществ (Евдокимова, 1995).

Маломощные подзолы Кольского полуострова обладают высокой кислотностью, низкими запасами обменных оснований и емкостью катионного обмена (Переверзев, 2004) и отличаются низкой устойчивостью к атмосферным поллютантам (Копцик, 2004).

Промышленные выбросы приводят к нарушениям питательного режима почв вследствие 66 обеднения элементами питания, подкисления, аккумуляции и мобилизации тяжелых металлов (Лукина, Никонов, 1998; Копцик и др., 1999; 2004; Кислотные осадки., 1999; Кашулина, 2002; Koptsik et al., 2003). Продолжительное систематическое действие атмосферного загрязнения ведет к нарушению биогеохимических циклов элементов и изменению состояния лесных экосистем (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999; Кашулина, 2002; Kashulina et al., 1997).

Несмотря на длительные исследования лесных экосистем Кольского полуострова 1 количественная оценка их трансформации под воздействием атмосферного загрязнения далека от завершения. Большинство сведений по биологическому поглощению элементов ограничены ассимилирующими органами древесных растений (Воздействие металлургических производств., 1995; Сыроид, 1997; Сухарева, 2004; Turunen, Huttunen, 1996; Ratio et al., 1998; Kozlov et al., 1999; Reimann et al., 2001; Rautio, Huttunen, 2003), хотя определяющую роль могут играть многолетние органы благодаря их большой биомассе. Данные по элементному составу многолетних органов, особенно древесины стволов, малочисленны (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999; Lindeberg, 2004; Saarela et al., 2005), а в условиях атмосферного загрязнения чрезвычайно редки (Лукина, Никонов, 1996; Копцик и др., 1999, 2008; Watmough, Hutchinson, 1996). В подавляющем большинстве работ в центре внимания находятся основные металлы-загрязнители (никель и медь), тогда как не меньшее значение могут иметь сопутствующие металлы, отличающиеся высокой токсичностью (кадмий, свинец). Особый интерес представляют не исследованные ранее потенциально токсичные мобильные соединения тяжелых металлов в ассимилирующих органах деревьев. Несмотря на традиционное внимание к системе «почва — растение» их взаимосвязь в лесных экосистемах, особенно в условиях атмосферного загрязнения, практически не изучена.

Актуальность работы определяется важной ролью биологического поглощения как звена биогеохимических циклов элементов в функционировании лесных экосистем. Стабильность биогеохимических циклов элементов является основной предпосылкой длительного существования лесов Севера (Родин, Базилевич, 1965; Карпачевский, 1977, 1981; Манаков, Никонов, 1981; Лукина, Никонов, 1996 и др.). Специфика биогеохимических циклов элементов в лесах Кольского Севера обусловлена, с одной стороны, экстремальными природными условиями, а с другой сторону — продолжительным и интенсивным действием техногенного фцктора. Атмосферное промышленное загрязнение вызывает нарушения взаимосвязей компонентов рнурри экосистемы, что влечет за собой изменения закономерностей биологического поглощения элементов, их распределения в ассимилирующих и многолетних органах, функционирования и, в конечном итоге, деградацию экосистем.

1. Охарактеризовать природные особенности элементного состава ассимилирующих (хвоя) и многолетних (мелкие ветви, кора и древесина) органов сосны и ели на Кольском полуострове.

2. Выявить закономерности техногенной трансформации содержания макроэлементов (N, S, К, Mg, Са) и тяжелых металлов (Ni, Си, Cd, Pb, Zn) в ассимилирующих и многолетних органах сосны и ели.

Научная новизна. В настоящей работе впервые:

• вскрыт высокий вклад многолетних органов (ветвей, коры и древесины ствола) сосны и ели в аккумуляцию тяжелых металлов в условиях атмосферного загрязнения;

• показано накопление никеля и меди биомассой сосны и ели при снижении вклада биомассы в аккумуляцию металлов в лесных экосистемах с ростом атмосферного загрязнения.

Практическая значимость. В работе охарактеризованы современные уровни содержания тяжелых металлов и серы в различных органах хвойных деревьев и почвах в зонах влияния комбинатов. Сравнение с данными начала 1990-х годов, относящимися к периоду максимальных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, позволяет ориентировочно проследить динамику содержания элементов-загрязнителей в растениях и почвах в условиях сокращения их атмосферных выпадений. Содержание тяжелых металлов в хвое и коре сосны и ели может служить индикатором атмосферного загрязнения лесных экосистем. Элементный состав деревьев может использоваться при моделировании поведения поллютантов и оценке их критических нагрузок в лесных экосистемах. Выявленная взаимосвязь содержания элементов в системе почва-растение может служить основой для анализа экологических рисков, оценки и коррекции питательного режима почв в целях восстановления лесов на техногенных пустошах.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на: XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004» (Москва 12-15 апреля 2004 г.); Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 24-28 мая 2004 г.); XII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва, 12-16 апреля 2005 г.); 7ой Международной конференции по кислотным осадкам «Acid Rain 2005» (Prague, Czech Republic, June 12-17, 2005); 10OM Конгрессе Хорватского общества почвоведения «Soil functions in the environment» (Sibenik, Croatia, June 14—17, 2006); Международной научно-практической конференции «Антропогенная динамика природной среды» (г. Пермь, Россия, 16-20 октября 2006 г.); Международной конференции «Soil and Wetland Ecotoxicology: SOWETOX 2007» (November 26-27, 2007, Barcelona, Spain). Результаты исследований доложены и обсуждены на заседании кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ (3 статьи в соавторстве, 7 тезисов).

Благодарности. Выражаю огромную признательность своему научному руководителю Г.Н. Копцик за всестороннюю и неоценимую помощь в работе, за внимание и понимание, которые помогли мне преодолеть все трудности и завершить задуманное. Особые слова признательности сотрудникам кафедры общего почвоведения за отзывчивость и ценные рекомендации в процессе выполнения работы. Огромная благодарность всем сотрудникам Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН за помощь в проведении полевых и аналитических работ. Кроме того, данная работа была бы невозможна без постоянной поддержки и понимания моих родных и коллег по работе.

Диссертационная работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова в рамках приоритетного направления «Функционирование и эволюция почв в естественных и антропогенных ландшафтах» по теме «Устойчивость и антропогенная эволюция почв».

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (02-04-49047, 05-04-48460, 08-04-01745) и Исследовательским обществом Нидерландов (NWO 047.014.002).

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Щербенко, Татьяна Анатольевна

выводы

1. Сосна и ель фоновых районов Кольского полуострова содержат максимальное количество азота и серы в хвое, калия и магния - в хвое и мелких ветвях, кальция - в многолетней хвое, цинка - в хвое и ветвях, кадмия - в ветвях и коре, никеля, меди и свинца - в коре. Древесина отличается минимальным содержанием всех элементов. Ель почти вдвое обогащена кальцием, а ее многолетние органы - цинком по сравнению с сосной.

6. С ростом техногенной нагрузки содержание доступных для растений соединений никеля и меди в подстилках возрастает на 2 порядка. Содержание кадмия увеличивается в 2-4 раза, свинца — в 2-8 раз. Загрязненные подстилки в 2-3 раза обедняются цинком. Повышенное содержание никеля и меди в подстилке, превышающее критические пределы, наблюдается в радиусе не менее 40 км от комбината «Печенганикель» и 100 км от комбината «Североникель».

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Щербенко, Татьяна Анатольевна, Москва

1. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. С. 392-393.

2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. JL: Агропромиздат, 1987. 142 с.

3. Альберт Э. Избирательная токсичность. М.: Мир, 1971. 431 с.

4. Аржанова B.C., Елпатьевский П.В., Кравцова В.М., Толстова JI.M. Геохимическая дендрохронология фоновых и импактных эколого-геохимических условий // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Вып. 4. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1987. С. 327-341.

5. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970. 487 с.

6. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 293 с.

7. Базилевич Н.И. Особенности круговорота зольных элементов и азота в некоторых почвенно-растительных зонах СССР // Почвоведение. 1955. № 4. С. 11-23.

8. Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. М.: Агропромиздат, 1988. 376 с.

9. Белов Н.П., Барановская А.В. Почвы Мурманской области. Л.: Наука, 1969. 146 с.

10. Блатов И.А., Никишин В.И., Карасев Ю.А., Гончаров А.В., Миляев В.Б., Костин A.M. Новые направления в решении проблемы сокращения трансграничных переносов соединений серы на комбинате «Печенганикель» // Цветные металлы. 2001. №2. С. 76-79.

11. Ведрова Э. Ф. Влияние сосновых насаждений на свойства почв. Новосибирск: Наука, 1980. 95с.

12. Вернадский В.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967. 348 с.

13. Влияние промышленного атмосферного загрязнения на сосновые леса Кольского полуострова. (Под ред. Б.Н. Норина т В.Т. Ярмишко). Л.: Изд-во БИН АН СССР, 1990. 195 с.1518

Информация о работе

Щербенко, Татьяна Анатольевна
кандидата биологических наук
Москва, 2008
ВАК 03.00.27

Диссертация

Поглощение элементов сосной и елью в лесных экосистемах северной тайги в условиях атмосферного загрязнения - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы